Sicherheit Deluxe. Elektronische Absicherung von vier Stromkreisen

Transkript

1 Praxis Elektronische Absicherung von vier Stromkreisen Die Bedienund Anzeigeelemente der AutoFuse Deluxe, die beim Prototyp in einem eigenen Gehäuse untergebracht wurden. Sicherheit Deluxe In der Digitalen Modellbahn 1/2013 wurde im Rahmen des Schaltungswettbewerbs eine elektronische Sicherung zur Begrenzung des Maximalstroms in einem Gleisabschnitt vorgestellt. Auf der Basis dieser Schaltung folgt nun die Deluxe-Version zur komfortablen Verteilung der Booster-Leistung auf vier Stromkreise mit Stromanzeige und Fernbedienung über die Zentrale. Die Idee bei der Entwicklung der elektronischen Sicherung AutoFuse, wie sie in der Dimo 1/2013 vorgestellt wurde, war, den Ausgangsstrom des Boosters auf mehrere, einzeln abgesicherte Gleisabschnitte zu verteilen. Damit lässt sich der Strom im Fehlerfall in jedem Teil der Anlage auf einen unproblematischen Wert begrenzen. Ohne eine solche Einzelabsicherung könnte an einer Unfallstelle bei Verwendung eines leistungsfähigen Boosters ein sehr (zu) hoher Strom fließen und entsprechende Schäden anrichten. Für eine Stromaufteilung und Einzelabsicherung benötigt man die Sicherungsschaltung AutoFuse einmal für jeden Gleisabschnitt. Als sinnvoll hat sich die Aufteilung eines Booster-Ausgangs auf vier Gleisabschnitte erwiesen. Bei einem kräftigen 10-A-Booster kann so jeder Abschnitt auf einen Maximalstrom von 2 bis 3 A begrenzt werden. Dies ist ein guter Kompromiss zwischen Sicherheit, Aufwand und Komfort. Diese Konfiguration hat sich im Zusammenspiel mit dem Selbstbau- Boosters EDiTS bei vielen Mitgliedern des MIST7 (Märklin Insider Stammtisch in Stuttgart) bewährt in diesem Rahmen ist das hier vorgestellte Projekt auch entstanden. Der EDiTS-Booster ist übrigens schon eine betagte, aber sehr robuste Konstruktion. Er liefert 10 A bei einer geregelten Ausgangsspannung und wurde bereits 1989 in der Elektronikzeitschrift Elektor veröffentlicht. Der Booster ist kurzschlussfest und schaltet den Ausgang beim Überschreiten der 10-A-Marke ab bzw. begrenzt den Ausgangsstrom auf diesen Wert. Das bedeutet, dass im Fehlerfall Ströme bis zu 10 A fließen können. Diese Problematik gilt in ähnlicher Weise auch für die Booster anderer Hersteller. AutoFuse Deluxe Die hier vorgestellte, AutoFuse Deluxe genannte Schaltung umfasst vier AutoFuse-Sicherungsschaltungen für 2 Digitale Modellbahn 04ı2013

2 Das Blockschaltbild zeigt die grundlegenden Funktionsblöcke und das einfache Anschlussschema der AutoFuse Deluxe. vier Booster-Abschnitte und eine gemeinsame Stromversorgung (Abb. 1). Außerdem wurden einige Komfort- Funktionen hinzugefügt: Alle Ausgänge können gemeinsam ein- und ausgeschaltet werden. Das Ein-/Ausschalten kann über einen integrierten Weichendekoder von der Zentrale aus ferngesteuert werden. Jeder Gleisabschnitt kann alternativ einzeln eingeschaltet werden. Dies hilft bei der Lokalisierung von Problemen. Die Auslösecharakteristik (Maximalstrom und Auslöseverzögerung) kann über Drehpotis für jeden Kanal getrennt eingestellt werden. Für jeden Gleisabschnitt wird der aktuelle Stromverbrauch angezeigt. Die Stromanzeige ist eigentlich ein Abfallprodukt, aber ein nettes und nützliches. Die Sicherungsschaltung misst sowieso den Strom. Außerdem war noch ein Operationsverstärker frei, so dass damit eine zum Strom proportionale Spannung erzeugt werden kann. Diese wird auf einer Balkenanzeige visualisiert (Abb. 2). Ein Balken entspricht einem Strom von ungefähr 0,25 A. Die Anzeige ist nicht sehr genau, zeigt aber gut die ungefähre Auslastung des Gleisabschnitts. Der Ungenauigkeit ist allerdings geschuldet, dass manchmal schon bei unbelegtem Gleis der erste Balken aufleuchtet. Man muss dabei aber bedenken, dass auch die Dekoder nicht benutzter Loks oder der Weichen und Signale Strom verbrauchen. Mit einem Trimmpoti kann die Anzeige abgeglichen werden. Dazu wird ein möglichst guter Vergleichswert benötigt. Diesen kann ein gutes Messgerät (True RMS bei der Strommessung ist hier das Stichwort) oder der in der Zentrale eingebaute Strommonitor liefern. Der Booster-Ausgangsstrom wird z.b. im Informationsmenü der Märklin CS 1/2 oder der ESU ECoS angezeigt. Es geht aber auch ohne Abgleich. In diesem Fall einfach den Trimmpoti ungefähr auf Mittelstellung belassen. Schaltungsbeschreibung Den Kern der Schaltung bildet die Sicherungsschaltung, die für jeden Ausgangskanal den Strom misst und bei Bedarf abschaltet (Abb. 3). Die Schaltung ist für jeden der vier Gleisabschnitte identisch und wurde schon in der Dimo 1/2013 ausführlich beschrieben. Neu ist die Verstärkerschaltung um IC1 B mit anschließender Glättung (R21 und C2). Diese erzeugt eine Gleichspannung, die proportional zum (gemittelten) Stromverbrauch im betreffenden Gleisabschnitt ist. Ausgegeben wird etwa 1 V pro 1 A. Dieses Signal wird zur Stromanzeige verwendet und wird deshalb über die Steckerleiste JP1 zur Anzeigeplatine geführt. An JP1 wird auch die Kanal-Status- LED und der Taster zum separaten Einschalten des Kanals angeschlossen. Über die neu hinzugekommenen Transistoren T2 und T3 wird der Gleisabschnitt elektronisch ein- und ausgeschaltet. Dies kann manuell über zwei Taster oder fernbedient über einen Weichendekoder geschehen (Abb. 4). Der Weichendekoder entspricht dem bekannten Weichei und besteht im Wesentlichen aus einem entsprechend programmierten PIC-Controller (siehe Kasten). Außerdem wird für diesen Bausteine eine eigene, stabilisierte 5-V- Versorgung benötigt. Diese wird mit einem kleinen Linear-Spannungsregler aus der 15-V-Stromversorgung abgeleitet. Die Schaltung, insbesondere die Operationsverstärker, benötigen eine symmetrische Spannung von +15 V und Digitale Modellbahn 04ı2013 3

3 Praxis Die Anzeigeplatine und die Basisplatine sind mit einigen Kabeln verbunden. Hier wurden einzelne Litzen in verschiedenen Farben genutzt. Man kann aber auch Flachbandkabel verwenden. Die Verbindung zur Anzeigeplatine übernehmen selbstgebaute Stecker aus Buchsenleisten. Die Ein- und Ausgänge der AutoFuse-Deluxe-Platine sind steckbar über ausgeführt, wobei die Kabel in die Stecker geschraubt werden. Dies ist beim Aufbau sehr praktisch, man kann die Kabel aber natürlich auch direkt in die Platine löten. Die AutoFuse Deluxe kann auch ohne Bedienelemente und Anzeigeplatine betrieben werden. Das Foto zeigt noch den Prototyp mit improvisiertem Kühlkörper. -15 V. Diese wird aus einer Wechselpannung von etwa 16 V gewonnen (Abb. 5). Man kann also einen ausrangierten, kleinen Modellbahntrafo verwenden. 8 VA Leistung sind ausreichend. Auch ein 15-V-Trafo funktioniert. Wichtig ist, dass die Schaltung mit einer Wechselspannung versorgt wird, weil über die Dioden D29 und D30 jeweils die positive und die negative Halbwelle zur Erzeugung der positiven und der negativen Versorgungsspannung verwendet werden. Achtung: Für die Versorgung der AutoFuse Deluxe sollte ein separater Trafo verwendet werden. Insbesondere darf er nicht gleichzeitig für andere Dinge benutzt werden, die Kontakt zum Gleissignal haben könnten. Die Stabilisierung der beiden Versorgungsspannungen übernehmen Linear-Spannungsregler. Auch die Relais werden mit dieser Spannung ver- sorgt. Der positive Regler ist deshalb stärker belastet als der Negativ-Regler und muss mit einem kleinen Kühlkörper gekühlt werden. Die Stromanzeige sowie der Einschalttaster und die Status-LED für jeden Kanal sind auf einer getrennten Anzeigeplatine untergebracht. Die Schaltung für einen Kanal zeigt Abb. 6. Durch die Verwendung des speziellen Bargraph-ICs LM3914 ist die Schaltung sehr einfach. Der Eingang des ICs wird lediglich noch über einen Spannungsteiler mit Trimmpoti geführt, so dass die Anzeige abgeglichen werden kann. Aufbau Da nur bedrahtete Bauteile und zwei geätzten Leiterplatten verwendet werden, ist der Aufbau recht einfach und auch von Hobby-Lötern leicht zu bewäl- tigen. Etwas Erfahrung im Aufbau von Elektronikbausätzen sollte man aber mitbringen. Die Platinen werden in der üblichen Reihenfolge bestückt: Zunächst die flachen Bauteile wie Widerstände und Dioden, dann die höheren wie Transistoren und Kondensatoren und ganz zum Schluss die etwas größeren Relais. Auf die Ausrichtung der Bauteile ist zu achten, insbesondere bei Dioden und den gepolten Kondensatoren. Für die ICs verwendet man Sockel. Wer die Platinen selbst ätzen will, findet die Layouts auf der Homepage des Autors ( autofuse/index.html). Die Platinen können auch einseitig geätzt werden. Dann benötigt man ein paar Drahtbrücken, spart sich aber den Mehraufwand für doppelseitige Platinen. Die unter www. digital-bahn.de angebotenen Platinen sind hingegen doppelseitig und mit 4 Digitale Modellbahn 04ı2013

4 Die AutoFuse Deluxe mit Anzeigeund Basisplatine lassen sich gut in einem eigenen Gehäuse unterbringen. Bei einem kompletten Booster-Selbstbau würde man die beiden Platinen in das Booster-Gehäuse integrieren. Lötstopplack und Bestückungsaufdruck versehen. Das ist bequem, Konzentration bei der Bestückung wird aber trotzdem empfohlen. Die Anzeigeplatine wird mit der Basisplatine über einige dünne Kabel verbunden (Abb. 7). Die Kabel werden auf der Anzeigeplatine direkt angelötet und auf der Basisplatine gesteckt. So können beide Platinen während des Aufbaus und beim Gehäuseeinbau leicht getrennt werden. Die Stecker bestehen aus Buchsenleisten, die an die Kabelenden gelötet werden (Abb. 8). Die Lötstellen schützt man mit kleinen Schrumpfschlauchstücken gegen Kurzschlüsse. Die verschiedenen Farben der Kabel unterstützen bei der korrekten Verkabelung. Auch für die Anschlüsse vom Booster und zu den Gleisen sind Steckverbinder vorgesehen (Abb. 9). Zunächst wird die Basisplatine in Betrieb genommen. Dazu wird sie noch ohne die Operationsverstärker und den PIC-Prozessor mit der Stromversorgung verbunden. An den Pins der noch leeren IC-Fassungen kann man die Versorgungsspannungen messen. Stimmt alles, können (im spannungslosen Zustand) die ICs bestückt werden. Dann werden die Bedienelemente und die Anzeigeplatine angeschlossen und die Funktionalität getestet. Kurzschlüsse zum Testen erzeugt man besser nicht am Gleis, sondern mit offenen Kabelenden an den Gleisanschlüssen der Basisplatine. Für den Betrieb an einem Selbstbau- Booster baut man die beiden Platinen am Besten mit ins Booster-Gehäuse ein. Ansonsten empfiehlt sich die Verwendung eines eigenen Gehäuses, wie auf Abbildung 10 zu sehen. Hier wurde das günstige und gut erhältliche TEKO-Gehäuse AUS 33 verwendet (z.b. bei Reichelt, Bestellnummer TEKO AUS33 ). Wer auf die Einstell- und Anzeigemöglichkeiten verzichten möchte, kann die Basisplatine auch ohne Anzeigeplatine aufbauen (Abb. 11). In diesem Fall werden Trimmpotis statt Potis verwendet und die Sicherung nur einmal beim Aufbau auf die gewünschten Werte eingestellt. Als Bedienelemente sollte man aber wenigstens den Einschalttaster und die vier Status-LEDs der Kanäle an die Frontplatte führen. Betrieb Die AutoFuse Deluxe wird zwischen Boosterausgang und bis zu vier Gleisabschnitten geschaltet. Die Gleisabschnitte brauchen dazu nur einseitig getrennt zu werden, beim Märklin-Gleis der Mittelleiter. Die Masse bzw. braun bleibt immer verbunden. Die Auto- Fuse Deluxe arbeitet mit einer durchgehenden Masse, nur die Signalseite wird beeinflusst. Beim Überfahren der Trennstellen werden die beiden Gleisabschnitte durch die Radsätze der Züge verbunden, was aber nicht weiter stört. Weitere Vorkehrungen wie zum Beispiel Schleiferwippen sind daher nicht erforderlich. Mit den Drehpotis wird für jeden Kanal der Maximalstrom eingestellt. Diesen kann man überschlägig und großzügig aus der maximalen Belastung im entsprechenden Stromkreis berechnen. Oder einfach grob abschätzen und ausprobieren. Eine Obergrenze von 2 A bis maximal 3 A hat sich in der Praxis bewährt. Die Summe der Ströme darf dabei den Maximalstrom des Boosters übersteigen. Der Booster ist immer auch selbst gegen eine zu hohe Stromentnahme geschützt, das ist nicht die Aufgabe der AutoFuse. Auch die Einstellung der Auslöseverzögerung ist nicht kritisch. Hier ist von einem niedrigen Wert ausgehend Ausprobieren gefragt. Wenn die AutoFuse durch einen Kurzschluss auslöst, wird normalerweise nur der entsprechende Gleisabschnitt abgeschaltet. Die Kurzschlusserkennung des Boosters schlägt in der Regel nicht an, ebenso wenig wird der Kurzschluss an der Zentrale angezeigt. Man erkennt aber an der Anzeige der AutoFuse, welcher Gleisabschnitt abgeschaltet wurde. Per Tastendruck oder Weichenbefehl lässt sich nach Beheben des Kurzschlusses der Gleisabschnitt wieder zuschalten. Dr. Stefan Krauß html Digitale Modellbahn 04ı2013 5

5 Praxis Den Kern der Schaltung bildet die Sicherungsschaltung. Sie wird für jeden der vier Ausgänge benötigt. Der Schaltplan zeigt nur die Schaltung für den ersten Ausgang. Die symmetrische ±15-V-Stromversorgung wird aus einer Wechselspannung über zwei Linearregler gewonnen. 6 Digitale Modellbahn 04ı2013

6 Für jeden Kanal wird auf der Anzeigeplatine der Stromverbrauch angezeigt. Hier ist wieder nur der Schaltplan für einen Kanal dargestellt, die drei anderen Kanäle sind identisch. Dekoder für Fernsteuerung Zum ferngesteuerten Ein- und Ausschalten der AutoFuse ist ein Schaltdekoder integriert, der auf Weichenschaltbefehle reagiert: rot (abzweigend) schaltet alle Ausgänge ab, grün (gerade) schaltet alle Ausgänge ein. Die Weichenadresse kann der Dekoders lernen: Die Programmierung startet man mit dem Programmiertaster auf der Basisplatine. Die Ausgänge schalten dann zyklisch ein und aus. Nun sendet man von der Zentrale einen Weichenschaltbefehl. Auf diese Adresse wird der Dekoder nun hören. Die Weiche schaltet man dann noch einmal, danach ist die Programmierung abgeschlossen. Der Dekoder entstammt dem Digital-Bahn-Projekt von Sven Brandt, der ihn als Weichendekoder Weichei anbietet ( Der Controller auf der AutoFuse-Basisplatine kann mit der Weichei-Firmware geladen werden, die es in einer MM- und DCC-Variante auf der Web-Seite zum Download gibt. Alternativ bietet Sven Brandt eine angepasste AutoFuse-Firmware an. Ein entsprechend programmierter Controller kann von ihm bezogen werden. Achtung: Der Weichei-Controller selbst kann nicht verwendet werden, weil er in einem kleineren SMD-Gehäuse geliefert wird. Der Unterschied zwischen der originalen Weichei-Firmware und der AutoFuse-Variante ist lediglich, dass letztere nach dem Einschalten der Stromversorgung automatisch die AutoFuse-Ausgänge einschaltet. Bei der Verwendung der originalen Weichei- Firmware muss dies immer durch den Benutzer geschehen. Schaltplan des integrierten Weichendekoders, der zum Ein- und Ausschalten der Ausgänge über die Zentrale dient. Digitale Modellbahn 04ı2013 7

7 Praxis Stückliste AutoFuse Deluxe 3.0 Seite 1 Stückliste AutoFuse Deluxe Reichelt Anzahl Bauelemente Teilebezeichnung Bestellnummer Hinweise AutoFuse-Basisplatine 4 R1, R22, R43, R64 Drahtwiderstand 0,22 Ohm, 2 Watt 2W Draht 0,22 4 R18, R39, R60, R81 Widerstand 100 Ohm 1/4W R10, R21, R31, R42, R52, Widerstand 1 kohm 1/4W 1k R63, R73, R84, R87, R88 8 R8, R14, R29, R35, R50, Widerstand 6,8 kohm 1/4W 6,8k R56, R71, R77 21 R2-R5, R15, R23-R26, Widerstand 10 kohm, 1% Metall 10,0k R36, R44-R47, R57, R65- R68, R78, R85 1 R86 Widerstand 22 kohm 1/4W 22k 8 R9, R19, R30, R40, R51, Widerstand 27 kohm 1/4W 27k R61, R72, R82 8 R13, R16, R34, R37, R55, Widerstand 33 kohm 1/4W 33k R58, R76, R79 8 R6, R17, R27, R38, R48, Widerstand 47 kohm 1/4W 47k R59, R69, R80 4 R11, R32, R53, R74 Widerstand 68 kohm 1/4W 68k 8 R12, R20, R33, R41, R54, Widerstand 120 kohm 1/4W 120k R62, R75, R83 4 R7, R28, R49, R70 Widerstand 390 kohm 1/4W 82k 4 P1, P3, P5, P7 Poti 22 kohm PO4M-LIN 22K 4 P2, P4, P6, P8 Poti 47 kohm PO4M-LIN 47K 4 C2, C4, C6, C8 Elko 1 µf, 63 V RAD 1/63 4 C1, C3, C5, C7 Elko 4,7 µf, 35 V RAD 4,7/35 1 C10 Elko 100 µf, 35 V RAD 100/35 1 C9 Elko 2200 µf, 35 V RAD 2.200/35 3 C11, C12, C14 Tantal-Perlen-Kondensator 0,1 µf, 35 V TANTAL 0,1/35 1 C13 Tantal-Perlen-Kondensator 0,33 µf, 35 V TANTAL 0,33/35 28 D1-D28 Diode 1N4148 1N D29, D30 Diode 1N4004 1N T1-T12 NPN-Transistor BC547B BC 547B 4 IC1-IC4 LM348N LM 348 DIL 1 IC5 Spannungsregler 7815 µa IC6 Spannungsregler 7915 µa IC7 Spannungsregler 78L05 µa 78L05 1 IC8 PIC 12F629-I/P PIC 12F629-I/P 1 - IC-Sockel, 8 polig GS 8P 4 - IC-Sockel, 14 polig GS 14P 1 - Kühlkörper für TO220, 11 K/W V PR32/38,1 4 REL1-REL4 Relais 2xUM, 12 V bei 360 Ohm FTR F1CL012R 1 S1 Kurzhubtaster TASTER CON1-CON5 Wannenstecker gewinkelt, Raster 5,08, 2-polig AKL zugehöriger Stecker mit Schraubklemme AKL CON6 Wannenstecker gewinkelt, Raster 3,81, 2-polig AKL zugehöriger Stecker mit Schraubklemme AKL JP1-JP4 Jumperstecker 6-polig aus Stiftleiste 1-reihig, 2,54mm SL 1X36G 2,54 Raster 2 JP5, JP6 Jumperstecker 2-polig aus Stiftleiste 1-reihig, 2,54mm Raster 1 - Miniatur-Einbautaster, 1xEIN, rot T 250A RT für Anschluss an JP5 1 - Miniatur-Einbautaster, 1xEIN, grün T 250A GN für Anschluss an JP6 AutoFuse-Anzeigeplatine 4 R1, R3, R5, R7 Widerstand 1 kohm 1/4W 1k 4 R2, R4, R6, R8 Widerstand 4,7 kohm 1/4W 4,7k 4 C1-C4 Keramik-Kondensatoren, 100nF Z5U-5 100N 4 P1-P4 Trimmer 10 kohm, liegend PT 10-L 10K 4 IC1-IC4 LM3914N LM 3914 DIL 4 DZ1-DZ4 LED Balkenanzeige, 10 Elemente grün GBG LED1-LED4 LED 3mm, low current 2 ma, grün LED 3MM 2MA GN 4 S1-S4 Kurzhubtaster, Höhe: 12,5mm TASTER 3301D 2 - Buchsenleiste, gerade, 2,54mm BL 1X20G8 2,54 programmiert mit Firmware Weichei oder AutoFuse aus einer Leiste teilen für JP1-JP6 teilen für JP1-JP6, Buchsen an Kabelende löten Die Stückliste für die Basisplatine und die optionale Anzeigeplatine. Die Teile sind z.b. bei Reichelt ( gut erhältlich. Die Bauteile der Basisplatine kosten ca. 32, die der Anzeigeplatine ca. 10. Dazu kommen die Kosten für die beiden Platinen, die unter erhältlich sind. Dort bekommt man auch den programmierten PIC-Controller. 8 Digitale Modellbahn 04ı2013

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